KR102656925B1 - 인계 난연 복합 컴파운드 및 이의 제조방법 - Google Patents

인계 난연 복합 컴파운드 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인계 난연제, 베이스 수지, 활제 및 첨가제를 포함하여, 난연 평가 등급이 V0인 인계 난연 복합 컴파운드 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 서로 다른 두 가지 종류의 친환경 인계 난연제를 주 난연제와 보조 난연제로 사용하여 이들의 혼합물을 난연제로 사용함으로써, 기존의 할로겐계 난연제에 비해 친환경적이면서 동시에 기계적 물성의 저하가 발생하지 않는 효과가 존재하고, 난연 평가 등급이 V0인 인계 난연 복합 컴파운드를 제공할 수 있는 장점이 있다.

Description

인계 난연 복합 컴파운드 및 이의 제조방법{Phosphorous flame-retardant compound and method for manufacturing the same}
본 발명은 인계 난연 컴파운드 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 인체 및 환경에 유해한 할로겐계 난연제를 사용하지 않고 친환경 난연제인 인계 난연제를 사용하되, 가급적 인계 난연제의 사용량을 감소시키면서도 동시에 난연 성능을 V0 등급을 유지할 수 있고, 난연제의 사용으로 인한 기계적 물성 저하를 최소화시킬 수 있는, 인계 난연 복합 컴파운드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
자동차 부품, 전기 장비용 하우징, 전기 절연 재료, 포장 필름, 건축 재료, 바닥 재료 등과 같은 다양한 제품 및 설비에 있어서 화재에 대비할 수 있는 화재 예방 시스템의 필요성이 증가하고 있다.
특히, 불꽃이 잘 옮겨붙지 않고, 불에 잘 타지 않는 재료를 사용하여 해당 제품의 내화성을 향상시키는데, 다양한 분야의 재료로 널리 사용되고 있는 목재나 합성수지와 같은 물질의 경우에는 쉽게 연소되는 특징이 있다. 이러한 재료들의 내화성을 향상시키기 위해 일반적으로 난연성 물질을 첨가하여 제조하거나 난연성 물질을 코팅시켜 내화 성능을 부여해 왔다.
이러한 난연성 물질로 금속 수산화물, 인계 난연제, 할로겐계 난연제 등이 사용되고 있으며, 이중 할로겐계 난연제의 경우 난연 성능이 우수하여 널리 사용되고 있다. 그러나, 할로겐계 난연제의 경우 화재 및 폐기 소각 처리 시, 염화수소계 유독가스와 다이옥신, 퓨란 등을 발생시키는 것으로 알려져 세계적으로 사용 제한이 확대되고 있다. 특히, 화학물질 규제 국제 협약인 스톡홀름 협약에서 일부 할로겐계 난연제의 사용을 금지하기로 결의하였으나, 아직 이를 대체할 수 있는 우수한 난연제가 개발되지 않아 스톡홀름 협약의 적용 시기가 유예되고 있는 상황이다.
이에, 할로겐계 난연제를 대체하기 위해 다양한 난연 물질들이 검토되고 있으며, 대표적으로 인계 유기 난연제들이 친환경 난연제로 검토되고 있으나, 기존의 할로겐계 난연제에 비해 난연 성능이 떨어지는 단점이 존재한다. 따라서 동일한 수준의 난연성능을 확보하기 위해서는, 할로겐계 난연제 보다 많은 양의 인계 난연제가 사용될 수 밖에 없으며, 이로 인해 인계 난연제를 포함하는 제품의 경우 기계적 강도가 떨어지는 문제점이 존재한다.
그러므로, 인체와 환경에 유해한 할로겐계 난연제를 사용하지 않으면서, 동시에 난연 성능과 기계적 물성을 동일한 수준으로 유지시킬 수 있는 새로운 난연제의 개발이 필요하다.
등록특허 제10-0873576호(2008.12.04 등록)
본 발명에서는 사람 및 환경에 유해한 할로겐계 난연제를 사용하지 않으면서, 난연 성능을 할로겐계 난연제와 동등 이상의 수준인 V0 등급으로 유지시킬 수 있으며, 난연제 첨가에 따른 기계적 물성의 열화를 최소화할 수 있는 인계 난연 복합 컴파운드 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 따른 인계 난연 복합 컴파운드는, 인계 난연제, 베이스 수지, 활제 및 첨가제를 포함한다. 상기 인계 난연제는, 주 난연제와 보조 난연제의 혼합물로 구성될 수 있으며, 주 난연제와 보조 난연제는 서로 상이하되, 인계 난연제의 함량은 30wt% 미만이고, 난연 평가 등급이 V0이다.
상기 주 난연제는 멜라민 폴리포스페이트(Melamine polyphosphate, MPP)이고, 보조 난연제는 헥사페녹시사이클로트리포스파젠(hexaphenoxycyclotriphosphazene, HPTCP)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 베이스 수지는 폴리올레핀이고, 상기 첨가제는 충전제, 안료 또는 폴리에틸렌 왁스인 것이 바람직하며, 상기 활제는 스테아린산, 칼슘 스테아레이트, 징크 스테아레이트, 마그네슘 스테아레이트, 스테아린산, 스테아린산 아연, 스테아린산 칼슘 및 에틸렌비스 스테아라마이드(EBS) 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것이 더욱 바람직하다.
한편 상기 폴리올레핀은 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)일 수 있다.
본 발명에 따른 인계 난연 복합 컴파운드는, 주 난연제 25~27wt%, 보조 난연제 1~3wt%, 베이스 수지 64~67wt%, 활제 0.5~2wt% 및 첨가제 4~6wt%를 포함할 수 있으며, 선택적으로 수산화마그네슘을 추가로 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태로 인계 난연 복합 컴파운드의 제조 방법을 들 수 있으며, 주 난연제 25~27wt%, 보조 난연제 1~3wt%, 베이스 수지 64~67wt%, 활제 0.5~2wt% 및 첨가제 4~6wt%를 혼합하고 교반하여 원료 혼합물을 제조하는 혼합 단계; 및 상기 원료 혼합물을 125~155℃의 온도에서 압출하여 펠렛 형태의 인계 난연 복합 컴파운드를 제조하는 압출 단계;를 포함하고, 상기 펠렛 형태의 인계 난연 복합 컴파운드 내 인계 난연제의 함량은 30wt% 미만이고, 난연 평가 등급이 V0인 것을 특징으로 한다.
이때 주 난연제로는 멜라민 폴리포스페이트(Melamine polyphosphate, MPP)가 사용될 수 있고, 보조 난연제로는 헥사페녹시사이클로트리포스파젠(hexaphenoxycyclotriphosphazene, HPTCP)이 사용되는 것이 바람직하다.
상기 베이스 수지는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌이고, 상기 활제는 스테아린산, 칼슘 스테아레이트, 징크 스테아레이트, 마그네슘 스테아레이트, 스테아린산, 스테아린산 아연, 스테아린산 칼슘 및 에틸렌비스 스테아라마이드(EBS) 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며, 상기 첨가제는 충전제, 안료 또는 폴리에틸렌 왁스인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 인계 난연 복합 컴파운드는, 인계 난연제와 베이스 수지를 주성분으로 포함하되, 인계 난연제는 주 난연제와 보조 난연제의 복합 난연제로 구성되어 높은 난연 평가 등급을 갖고 동시에 베이스 수지의 기계적 물성을 저하시키지 않는 효과가 있다.
또한, 환경에 유해한 할로겐계 난연제를 대체할 수 있으며, 난연제의 사용량을 감소시킬 수 있음에도 V0의 난연 평가 등급을 만족할 수 있는 장점이 존재한다.
이러한 명시적으로 기재된 효과외에도 통상의 기술자가 본 발명의 명세서를 통해 인식할 수 있는 효과 역시 본 발명의 효과에 포함됨을 미리 밝혀 두고자 한다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서 전체에서, 특정 물질의 농도를 나타내기 위하여 사용되는 “%”는 별도의 언급이 없는 경우, 고체/고체는 (중량/중량)%, 고체/액체는 (중량/부피)%, 그리고 액체/액체는 (부피/부피)% 를 의미한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예를 살펴본다. 그러나 본 발명의 범주가 이하의 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 본 발명의 권리범위 내에서 본 명세서에 기재된 내용의 여러 가지 변형된 형태를 실시할 수 있다.
본 발명에서는 사람 혹은 환경에 유해한 할로겐계 난연제를 대체하되, 우수한 난연 성능을 가지며, 상대적으로 적은 양을 사용해도 할로겐계 난연제와 동등한 수준의 난연성 등급인 V0 등급을 갖는 유기 인계 복합 난연 컴파운드를 제공하고자 한다. 특히 플라스틱 제품이나 건축 재료의 내화성을 향상시키기 위해 원료 물질에 첨가되어도 기계적 물성을 유지할 수 있는 특정 조성의 유기 인계 복합 난연 컴파운드를 제공함으로써, 친환경적이면서도 우수한 난연 성능을 효과적으로 구현하면서 난연제 성분의 사용량을 감소시킬 수 있었다.
본 발명에 따른 인계 난연 복합 컴파운드는, 인계 난연제, 베이스 수지, 활제 및 첨가제를 포함하며, 상기 인계 난연제는, 주 난연제와 보조 난연제의 혼합물이 사용될 수 있다.
UL94는 미국에서 발표한 고분자 재료의 가연성 안전에 관한 표준으로, 표본이 점화된 후 연소되는 시간(t1), 추가 점화된 후 연소되는 시간(t2) 및 불똥이 ?셜? 시간(t3), 적하에 의한 탈지면의 발화 여부나 특정 거리까지 연소되는지 여부와 같은 연소 양상 등에 따라 난연 등급을 규격화한다. 구체적으로, UL94에 따른 난연 등급은 하기 표 1과 같다.
　 등급기준
V0 V1 V2
개별 연소 시간(t1 or t2) ≤ 10 sec ≤ 30 sec ≤ 30 sec
전처리 조건 별 전체 연소 시간(t1 + t2) ≤ 50 sec ≤ 250 sec ≤ 250 sec
2차 접염 후의 연소 및 불똥이 맺힌 시간(t2 + t3) ≤ 30 sec ≤ 60 sec ≤ 60 sec
클램프(125 mm 표시)까지 연소 여부 No No No
적하에 의한 탈지면의 발화 여부 No No Yes
본 발명에서 사용되는 주 난연제는 인과 질소 성분을 포함하는 할로겐 프리 인질소계 난연제로, 멜라민 포스페이트(Melamine phosphate, MP) 또는 멜라민 폴리포스페이트(Melamine polyphosphate, MPP)가 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 멜라민 폴리포스페이트(MPP)가 사용될 수 있다.
보조 난연제로 헥사페녹시사이클로트리포스파젠 (hexaphenoxycyclotriphosphazene, HPTCP)가 사용될 수 있으며, 상기 주 난연제와 보조 난연제가 인계 난연 복합 컴파운드 100wt%를 기준으로 각각 25~27wt%, 1~3wt%의 범위로 사용될 수 있다. 이러한 중량비로 사용될 경우, UL94 표준에 따른 난연 등급은 V0로 우수한 난연 성능을 가질 수 있다.
이러한 인계 난연제가 서로 다른 두 종류의 인계 난연제가 혼합되어 사용될 경우, 멜라민 폴리포스페이트(MPP) 단독으로 사용되었을 때보다 상대적으로 낮은 농도로 사용되었을 때에도 V0의 난연 등급을 확보할 수 있으며, 난연제가 혼합되는 베이스 수지의 기계적 물성의 감소가 거의 발생하지 않는 장점이 있다.
주 난연제로 사용되는 MPP(CAS No. 218768-84-4)는 하기 화학식 1로 표시되는 멜라민 기반의 할로겐 프리 인계 난연제로, 350℃ 이상에서 열분해되어 중합체를 냉각시키는 열제거원으로 작용한다. 이 과정에서 방출되는 인산염이 폴리머와 반응하여 Char(차르)를 형성하고, 활성산소의 방출을 억제하게 되며, 이와 동시에 멜라민의 분해로부터 방출되는 질소 종은 Char를 팽창시켜 폴리머를 더욱 보호하게 된다. 주로 유리섬유강화 폴리아라미드 및 폴리에스터에 많이 사용되며, PET, PBT 등에 널리 사용되고 있다.
(화학식 1)
보조 난연제로 사용되는 헥사페녹시사이클로트리포스파젠(HPTCP, CAS No. 1184-10-7)은 하기의 화학식 2로 표시되는 유기 인계 난연제로 MPP와 유사하게 질소와 인을 포함하며, 주로 PC, ABS 또는 에폭시 수지에 사용된다.
(화학식 2)
본 발명에 따른 인계 난연 복합 컴파운드는, 이러한 인계 난연제 외에도 베이스 수지, 활제 및 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 베이스 수지는 주로 폴리올레핀이 사용될 수 있으며, 구체적으로는 폴리에틸렌또는 폴리프로필렌 등을 들 수 있고, 더욱 바람직하게는 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)가 사용될 수 있다. 베이스 수지는 인계 난연 복합 컴파운드에 포함되는 각 성분들을 균일하게 분산시키고 입자나 펠렛과 같은 고체상 형태로 유지시킬 수 있도록 각 성분들을 결합시킬 수 있다.
베이스 수지는 난연 마스터배치 조성물 내에 약 64~67 wt%로 포함될 수 있으며, 상기 중량 범위 미만으로 포함되는 경우에는 결합 성능이 부족하여 고체상 형태를 유지시킬 수 없고, 상기 중량 범위를 초과하는 경우에는 상대적으로 난연제의 함량이 감소하여 난연 성능이 떨어지므로 상기 중량 범위 내에서 포함되는 것이 바람직하다.
베이스 수지의 함량은 상기 범위 내에서 난연성능과 성형성 등의 확보를 위해 다양하게 조절될 수 있으며, 일 예로, 약 65~67 wt%, 또는 약 66 wt%로 포함될 수 있다.
상기 첨가제는 본 발명에 따른 인계 난연 복합 컴파운드의 물리, 화학적 특성, 기능성, 외관 등의 특성들을 조절하기 위해 첨가되는 성분으로, 첨가제로 충전제, 안료 또는 폴리에틸렌 왁스를 포함할 수 있다. 난연 복합 컴파운드 내의 첨가제의 함량은 4~6 wt%일 수 있으며, 상기 범위 미만으로 포함되는 경우에는 첨가제를 사용함에 따라 얻어지는 효과가 미미하고, 상기 범위를 초과하여 포함되는 경우에는 난연 성능이 저하되거나, 각 성분들의 결합력이 저하되어 형태 유지가 곤란할 수 있으므로, 상술한 중량 범위 내에서 포함되는 것이 바람직하다.
충전제는 물리적 강도를 향상시키기 위해 첨가되는 성분으로, 이산화규소, 규조토, 산화알루미늄, 산화철, 산화아연, 산화마그네슘, 수산화알루미늄, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 황산바륨, 황산칼슘 등의 비금속 광물이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
안료는 인계 난연 복합 컴파운드에 색상을 부여하기 위해 첨가되는 성분으로, 백색을 부여하기 위한 이산화티타늄, 흑색을 부여하기 위한 카본블랙 등이 사용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
폴리에틸렌 왁스(PE Wax)는, 용융흐름을 개선시켜 분산성을 향상시키기 위해 첨가되는 저분자량의 폴리에틸렌이다.
활제는 인계 난연 복합 컴파운드에 포함되는 각종 성분들을 균일하게 분산시키기 위해 첨가되는 성분으로, 스테아린산, 스테아린산 아연, 스테아린산 칼슘, 에틸렌비스 스테아라마이드(EBS) 등이 사용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 인계 난연 복합 컴파운드 100 중량%를 기준으로 0.5~2 중량%의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
선택적으로 본 발명에 따른 인계 난연 복합 컴파운드는, 수산화마그네슘을 추가로 더 포함할 수 있다. 수산화마그네슘은 연소시 탈수반응을 통해 온도를 하강시켜 난연 성능을 나타내는 성분으로, 인계 난연제와 다른 메커니즘으로 난연 효과가 발휘되어 환경이나 인체에 유해하지 않은 장점이 있으나, 할로겐계 또는 인계 난연제에 비해 난연 성능이 떨어지는 단점이 있다.
이러한 특성을 갖는 수산화마그네슘은 본 발명의 인계 난연 복합 컴파운드에 포함되어, 인계 난연 복합 컴파운드 내의 난연제의 함량을 추가로 저감시키면서도 여전히 높은 난연등급을 달성할 수 있도록 난연 마스터배치 조성물 내에 5.5 wt% 이하의 범위로 포함되는 것도 가능하다.
이러한 인계 난연 복합 컴파운드는 난연 등급에 관한 기준인 UL94에 의거하여 난연 최고 등급인 V0 등급을 가지므로, 다양한 고분자 제품이나 도료 제조시 첨가되어 제품이나 도막에 우수한 성능의 난연 특성을 부여할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 인계 난연 복합 컴파운드의 제조 방법은, 앞서 살펴본 일 실시예에 따른 인계 난연 복합 컴파운드를 제조하는 방법에 관한 것으로 일부 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명의 다른 실시 형태인 인계 난연 복합 컴파운드의 제조 방법은, 주 난연제 26~28wt%, 보조 난연제 1~2wt%, 베이스 수지 64~66wt%, 활제 0.5~2wt% 및 첨가제 4~6wt%를 혼합하고 교반하여 원료 혼합물을 제조하는 혼합 단계; 및 상기 원료 혼합물을 125~155℃의 온도에서 압출하여 펠렛 형태의 인계 난연 복합 컴파운드를 제조하는 압출 단계;를 포함하고, 상기 펠렛 형태의 인계 난연 복합 컴파운드 내 인계 난연제의 함량은 30wt% 미만이고, 난연 평가 등급이 V0인 것을 특징으로 한다.
이때 주 난연제로는 멜라민 폴리포스페이트(Melamine polyphosphate, MPP)이 사용될 수 있으며, 보조 난연제로는 헥사페녹시사이클로트리포스파젠(hexaphenoxycyclotriphosphazene)이 사용되는 것이 바람직하다.
상기 베이스 수지는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌의 폴리올레핀계 수지가 사용될 수 있으며, 상기 활제는 스테아린산, 칼슘 스테아레이트, 징크 스테아레이트, 마그네슘 스테아레이트, 스테아린산, 스테아린산 아연, 스테아린산 칼슘 및 에틸렌비스 스테아라마이드(EBS) 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상이 사용될 수 있다. 또한, 상기 첨가제는 충전제, 안료 또는 폴리에틸렌 왁스가 사용될 수 있다. 아울러 선택적으로, 상기 첨가제와 함께 수산화마그네슘이 5.5wt% 이하의 범위로 사용되는 것도 가능하다.
먼저, 상기 혼합 단계는, 주 난연제 25~27wt%, 보조 난연제 1~3wt%, 베이스 수지 64~67wt%, 활제 0.5~2wt% 및 첨가제 4~6wt%를 혼합하고 교반하여 원료 혼합물을 제조하는 단계이다.
상기 혼합 단계는 각 성분을 혼합 및 교반하는 단계로, 이 단계는 압출기에 연결되어 압출기로 원료를 공급하는 호퍼에서 수행되거나, 별도의 반응기에서 수행될 수 있다. 교반은 400~500 rpm의 속도로 수행될 수 있으며 교반 속도가 과도하게 느린 경우에는 불균일하게 교반되고, 과도하게 빠른 경우에는 기포가 발생하여 인계 난연 복합 컴파운드의 품질을 저하시킬 우려가 있으므로 상기 범위 내의 회전속도로 균일하게 교반하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 압출 단계는 상기 혼합 조성물을 125~155℃의 온도 범위에서 압출시켜 인계 난연 복합 컴파운드를 제조하는 단계로, 이 단계를 통해 원료 혼합물이 입자 또는 펠릿 형태를 갖도록 19F의 이축 압출기로부터 토출될 수 있다. 이때 인계 난연 복합 컴파운드의 입자나 펠릿의 크기 및 형태는 특별히 제한되지 않는다.
압출시 혼합 조성물을 균일하게 혼합시키고, 적절한 형태를 형성하기 위해 상기 온도 범위 내에서 압출이 수행될 수 있으며, 상기 온도 범위를 벗어나는 경우에는 균일한 혼합이 이루어지지 않거나, 원하는 형태로 성형되지 않는 등의 문제가 발생할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 통해 본 발명의 구체적인 작용과 효과를 설명하고자 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로서 제시된 것으로, 실시예에 따라 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
[제조예]
난연 컴파운드의 제조
먼저 인계 유기 난연제인 멜라민 폴리포스페이트(MPP)의 양을 변화시켜 가면서, 베이스 수지, 활제 및 첨가제와 함께 호퍼에 450 rpm으로 혼합한 후, 19F의 이축 압출기를 사용하여 140 ℃로 압출시켜 펠렛 형태의 인계 단일 난연 컴파운드(시료 #1 ~ #10)를 제조하였다.
베이스 수지로 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)를 사용하였고, 활제로는 스테아린산 아연(Zn Stearate)를 사용하였으며, 첨가제로는 폴리에틸렌 왁스(PE Wax)를 사용하였으며, 구체적인 조성비는 아래의 표 1과 같다.
이렇게 제조된 난연 컴파운드 시료들에 대하여 각각 사출기를 사용해서 바(bar) 시편 제조하였다. 각각의 바 형태의 시편은, 표 1의 조성을 갖는 펠렛 형태의 난연 컴파운드 시료 500g을 150℃에서 사출하여, 12.5×13×4 mm의 바(bar)형태의 UL94 시험용 시편을 제조하였다.
제조된 UL94 시험용 시편의 난연성 평가는, UL94 bar 시편의 표준 평가 방법에 따라 수행되었으며, 앞서 제조된 UL94 시험용 시편(#1~#10)의 난연성 평가 결과는 하기 표 2에 함께 기재하였다.
시료# 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
MPP 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
LLDPE 80 78 76 74 72 70 68 66 64 62
PE WAXs 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Zn Stearate 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
난연성능 HB V2 V2 V2 V2 V2 V1 V1 V0 V0
(단위: wt%)
상기 표 2의 결과에서 확인되듯이, 기존의 할로겐계 난연제에 비해 친환경적인 유기 인계 난연제인 MPP가 단독으로 사용될 경우, 가장 우수한 난연 등급을 확보하기 위해서는 적어도 전체 난연 컴파운드 내에서 적어도 30wt% 이상의 높은 함량비로 포함되어야 함을 알 수 있다(시료 #9, #10). 이는 친환경적인 인계 유기 난연제의 난연 성능이 기존의 할로겐계 난연제에 비해 다소 낮은 점에 기인하는 것으로 판단된다.
[실험예 1]
앞서 살펴본 제조예에서 사용된 유기 인계 난연제 MPP와 헥사페녹시사이클로트리포스파젠(HPTCP)를 혼합한 인계 난연 복합 컴파운드를 제조하였다. MPP를 주 난연제로 포함하되, 일부를 보조 난연제인 HPTCP로 대체함으로써, 인계 난연 복합 컴파운드 내에 포함되는 인계 난연제 전체의 함량은 30wt% 이하의 범위로 사용하였다. 이때 사용된 조성과 시료명 및 난연성능 평가 결과는 표 3에 정리하였으며, 인계 난연 복합 컴파운드를 제조하는 과정과 난연성능 평가 방법은, 주 난연제와 보조 난연제를 동시에 사용한 것을 제외하고는 앞서 설명한 제조예와 동일하게 수행하였다.
시료 # 11 12 13 15 16 17 18 19 20 21 22 23
MPP 20 22 24 26 28 20 22 24 26 20 22 24
HPTCP 10 8 6 4 2 8 6 4 2 6 4 2
LLDPE 64 64 64 64 64 66 66 66 66 68 68 68
PE WAXs 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Zn Stearate 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
난연성능 V1 V1 V1 V0 V0 V1 V1 V1 V0 V1 V1 V1
(단위 wr%)
상기 표 3의 결과에서 확인되듯이, 주 난연제인 MPP와 보조 난연제인 HPTCP가 동시에 사용된 인계 난연 복합 컴파운드의 경우, 앞서 살펴본 MPP 단독으로 사용된 경우와 유사하게, 인계 난연제의 함량이 30wt% 이하로 감소하면 난연 등급이 V1 수준으로 떨어짐을 확인할 수 있었다(#17, #18, #19, #21~#23). 특히 보조 난연제인 HPTCP의 함량이 높아질수록 이러한 난연 성능의 저하는 뚜렷하게 관찰되었는데, 전체 인계 난연제의 함량이 30wt%임에도 HPTCP의 함량이 높을 경우(#11~#13)에도 난연등급은 V1에 해당함을 확인할 수 있었다.
하지만, 보조 난연제인 HPTCP의 함량이 4wt% 이하면서 동시에 전체 인계 난연제의 함량이 30wt%인 경우(#15, #16)에는 난연 성능이 V0 등급을 충족함을 확인할 수 있었으며, 이는 복합 난연제가 사용될 경우, 보조 난연제의 함량이 일정 수준 미만으로 유지되어야 함을 의미한다.
특히, 시료 #20의 경우, 전체 인계 난연제의 함량이 30wt% 미만임에도, 난연 등급이 V0로 확인되었는데, 이는 주 난연제(MPP)와 보조 난연제(HPTCP)의 함량이 각각 26wt%와 2wt%의 비율로 사용될 경우, 주 난연제와 보조 난연제의 상승 작용으로 인해 난연 성능이 향상된 것으로 해석된다.
이렇게 주 난연제(MPP)와 보조 난연제(HPTCP)가 특정 함량비로 포함될 때, 인계 난연 복합 컴파운드의 난연 성능이 급격하게 향상되는 현상을 실험적으로 확인할 수 있었으며, 이는 인계 난연 복합 컴파운드 내에 포함되는 인계 난연제의 함량을 감소시키면서도 난연 성능의 저하가 발생하지 않는 최적의 성분비는 주 난연제(MPP) 26wt%, 보조 난연제(HPTCP) 2wt%임 강하게 시사한다.
[실험예 2]
상기 실험예 1에서 확인한 인계 난연 복합 컴파운드 내의 최적 주 난연제(MPP)와 보조 난연제(HPTCP) 함량비에 대한 기계적 물성을 인장 실험을 통해 확인하였다. KS M 3001에 따른 폴리에틸렌 필름의 기계적 성질 시험 방법을 통해, 표 2와 3에서 난연 성능을 확인하였던 시료 #8, #15 및 #20에 대하여 인장 실험을 수행하였으며, 비교예로 난연제가 포함되지 않은 베이스 수지인 LLDPE를 사용하였다.
시료 # LLDPE 8 15 20
난연제 함량 0% 28% 30% 28%
인장강도 (N/cm2) 2945 2586 2496 2714
신장율 (%) 700.2 647.1 627.3 653.8
인열강도 (N/cm) 1300.5 1151.1 1101.0 1206.7
난연성능 HB V1 V0 V0
상기 표 4의 결과에서 확인되듯이, MPP 단독으로 30wt% 사용된 난연 컴파운드(#8)와 주 난연제인 MPP와 보조 난연제인 HPTCP가 혼합된 난연 복합 컴파운드(#15)의 경우, 비교예로 사용된 난연제가 포함되지 않은 LLDPE에 비해, 인장강도, 신장율 및 인열강도 모두 감소한 것으로 확인되었다. 이는 난연제의 첨가로 인해, 베이스 수지인 고분자 필름의 기계적 물성이 감소하는 것을 의미한다.
한편 난연제가 포함되지 않은 LLDPE에 비해 난연제가 포함된 경우 난연성능이 향상되는 것을 알 수 있는데, 총 난연 성분이 28wt%포함된 시료 #8에 비해 30wt%포함된 시료의 경우, 난연성능이 V0으로, 난연성이 증가하는 것을 알 수 있었으나, 난연성이 향상된 만큼 기계적 물성이 감소하는 것을 확인할 수 있었다(#8 vs #15).
그러나, 앞서 실험예 1에서 난연 성분이 30wt% 미만임에도 V0의 우수한 난연성능을 보였던 #20 시료의 경우, 주 난연제와 보조 난연제를 동시에 포함하지만, 동일한 성분비의 MPP 단일 난연제를 포함하는 경우에 비해, 인장강도, 신장율 및 인열강도 모두 우수함을 확인할 수 있었다.
비록 난연제 성분을 포함하지 않는 LLDPE에 비해서는 이러한 기계적 물성이 감소하지만, 동일한 성분비의 난연제를 포함하는 경우에 비해 난연성능이 우수할 뿐만 아니라, 기계적 물성 역시 상대적으로 우수한 것을 실험적으로 확인할 수 있었다.
이러한 결과를 토대로, 본 발명에 따른 난연 복합 컴파운드의 경우, 주 난연제(MPP) 26wt% 및 보조 난연제(HPTCP) 2wt%를 사용하는 것이 가장 바람직함을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

Claims (10)

  1. 주 난연제 25~27wt%, 보조 난연제 1~3wt%, 베이스 수지 64~67wt%, 활제 0.5~2wt% 및 첨가제 4~6wt%를 포함하고,
    주 난연제는 멜라민 폴리포스페이트(Melamine polyphosphate)이고, 보조 난연제는 헥사페녹시사이클로트리포스파젠(hexaphenoxycyclotriphosphazene)이며,
    주 난연제 및 보조 난연제를 포함하는 인계 난연제의 함량은 30wt% 미만이고, UL94에 따른 난연 평가 등급이 V0인, 인계 난연 복합 컴파운드.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 수지는 폴리올레핀이고,
    상기 첨가제는 충전제, 안료 또는 폴리에틸렌 왁스인 것을 특징으로 하는, 인계 난연 복합 컴파운드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 활제는 스테아린산, 칼슘 스테아레이트, 징크 스테아레이트, 마그네슘 스테아레이트 및 에틸렌비스 스테아라마이드로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 인계 난연 복합 컴파운드.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 폴리올레핀은 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌인 것을 특징으로 하는, 인계 난연 복합 컴파운드.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인계 난연 복합 컴파운드는, 수산화마그네슘을 추가로 더 포함하는, 인계 난연 복합 컴파운드.
  8. 주 난연제 25~27wt%, 보조 난연제 1~3wt%, 베이스 수지 64~67wt%, 활제 0.5~2wt% 및 첨가제 4~6wt%를 혼합하고 교반하여 원료 혼합물을 제조하는 혼합 단계; 및
    상기 원료 혼합물을 125~155℃의 온도에서 압출하여 펠렛 형태의 인계 난연 복합 컴파운드를 제조하는 압출 단계;를 포함하고,
    상기 주 난연제는 멜라민 폴리포스페이트이고, 보조 난연제는 헥사페녹시사이클로트리포스파젠이며,
    상기 펠렛 형태의 인계 난연 복합 컴파운드 내 인계 난연제의 함량은 30wt% 미만이며, UL94에 따른 난연 평가 등급이 V0인 인계 난연 복합 컴파운드의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 베이스 수지는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌이고,
    상기 활제로는 스테아린산, 칼슘 스테아레이트, 징크 스테아레이트, 마그네슘 스테아레이트, 및 에틸렌비스 스테아라마이드로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상이 사용될 수 있으며,
    상기 첨가제는 충전제, 안료 또는 폴리에틸렌 왁스인 것을 특징으로 하는, 인계 난연 복합 컴파운드의 제조 방법.
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